Изcellentна срещу земетресения устойчивост на стоманени сгради: Гарантиране на безопасност

Разбиране на сейсмичните сили и ролята на стоманата при устойчивост към странични натоварвания

Как сейсмичните сили предизвикват цялостната структурна устойчивост

Когато се случат земетресения, те създават мощни странични сили, които накарват сградите да се люлеят напред-назад хоризонтално. Това движение създава напрежение на срязване, което може да причини пукнатини в материали като бетон, тъй като те не понасят добре огъването. Обикновеното тегло от гравитация действа по различен начин в сравнение с тресенето при земетресение, защото сеизмичните вълни продължават да се отразяват и да претоварват вече слаби участъци в конструкцията. Вземете за пример мощното земетресение в Крайстчърч през 2011 г. Земята там се разтресе толкова силно, че достигна над 1,8 пъти нормалната сила на гравитацията, което разкри сериозни недостатъци в сгради, проектирани без достатъчна еластичност. Стоманата се отличава именно тук, защото при налягане се огъва, а не се чупи. Гъвкавостта ѝ позволява да абсорбира част от енергията на тресенето и да я разпределя по цялата конструкция, вместо да допусне всичко да се срути наведнъж.

Защо стоманените сгради превъзхождат при устойчивост към странично изместване

Стоманата наистина се отличава в зони, склонни към земетресения, защото се огъва вместо да се чупи под натоварване и освен това притежава голяма якост при относително малко тегло. Бетонът просто не е толкова гъвкав. Според изследвания върху специални възли, устойчиви на огъващи моменти, стоманените конструкции могат да се разтегнат около 10%, преди да се разрушат. Това означава, че сградите от стомана всъщност по-добре абсорбират енергията от земетресения в сравнение с бетонните. И тъй като стоманата тежи по-малко от бетона, сградите от нея изпитват приблизително с 40% по-малко инерционни сили по време на земетресения. Това прави голяма разлика в количеството напрежение, което се предава през цялата конструкция по време на реално земетресение.

Случайно проучване: Ефективност на сгради със стоманена рамка по време на земетресението в Крайстчърч през 2011 г.

След като разгледахме последствията, се оказва, че сградите със стоманен каркас в Крайстчърч са понасяли значително по-добре от тези, изградени от армиран бетон. Според доклади около 60 процента по-малко щети са били наблюдавани при тези стоманени конструкции. Стоманените офис сгради всъщност са останали цели, дори когато основите са се преместили сериозно поради ефектите от разтечнообразяване. Това се е случило предимно поради специалните заварени възли, които осигуряват правилното разпределяне на натоварванията през сградата. Междувременно около една четвърт от всички бетонни сгради е трябвало да бъдат съборени след сериозни повреди на колоните по време на земетресенията. Това ясно показва защо стоманеното строителство се отличава, когато става въпрос за устойчивост към земетресения.

Системи за устойчивост срещу странични сили (LFRS) в стоманени конструкции: Подпорни рамки срещу Моментни рамки

Стоманените сгради разчитат на специализирани системи за устойчивост срещу странични сили (LFRS) за управляване на земнотресни и вятърни сили. Тези системи формират структурния скелет, предавайки странични натоварвания през греди, колони и упори, като осигуряват стабилност и експлоатационна пригодност.

Преглед на системите за устойчивост на странични сили и тяхното значение при проектиране срещу земетресения

Последните сейсмични норми от ASCE 7 и AISC 341 изискват системите за устойчивост на странични сили да постигнат деликатен баланс между запазване на достатъчна стивидност, така че хората да не изпитват дискомфорт по време на слаби трептения, и в същото време да притежават достатъчна дуктилност, за да останат сградите стоящи при силни земетресения. Инженерите обикновено използват или укрепени рамки, или моментоустойчиви рамки като предпочитани решения за този проблем. Според опита на повечето структурни инженери, изборът на една система вместо друга има решаващо значение за това колко добре сградата ще абсорбира земетресните сили и какви скъпоструващи ремонти ще са необходими след уталожване на последствията.

Укрепени рамки: централни (CBFs) и ексцентрични (EBFs) системи

• Концентрични обтегнати рамки (CBFs): Диагоналните елементи, подредени в X или V конфигурация, осигуряват висока стивност при ниска цена, което ги прави идеални за складове и нискоетажни стоманени сгради.
• Ексцентрични обтегнати рамки (EBFs): Имат преднамерено изместени връзки, които концентрират деформацията във връзващи елементи, абсорбирайки до 30% повече сейсмична енергия в сравнение с CBFs (FEMA P-58). Тяхната подобрена производителност ги прави подходящи за болници и критични сгради от средна височина.

Моментоустойчиви рамки (MRFs): Ригидни връзки и огъваща устойчивост

Моментоустойчивите рамки използват ригидни връзки между греди и колони — заварени или болтови — за да противодействат на странични сили чрез огъване, като по този начин отпада нуждата от диагонално окачване. Този дизайн позволява открити планировки, необходими за високи търговски сгради, но обикновено изисква с 15–20% повече стомана в сравнение с обтегнати системи, според данни за разходи от AISC 2023 г.

Сравнителен анализ: Стабилност, дуктилност и приложение в многоетажни стоманени сгради

Хибридни системи, комбиниращи ексцентрично окачване с моментни рамки, все по-често се използват в стоманени сгради със смесено предназначение, където е необходима променлива стегнатост между етажите.

Основни принципи за сеизмично проектиране: Дуктилност, Редундантност и Устойчивост в стоманени сгради

Дуктилност като защита срещу чупливо разрушаване

Способността на стоманата да се деформира пластично под натоварване всъщност предотвратява напълно срутване на сградите по време на земетресения. Съвременните стоманени сплави могат да абсорбират около 25 процента деформационна енергия преди разрушаване според стандарти ASCE, което означава, че те се огъват, а не се чупят при критични участъци като греди, колони и възли. Този вид гъвкавост е основата за специалните моментни рамки, определени в насоки AISC 341. По същество, това позволява на сградите да променят и регулират начина, по който земетресните сили се разпределят в тях, като по този начин цялата конструкция става много по-безопасна по време на сеизмични събития.

Структурна излишност за подобрена безопасност по време на земетресения

Когато части от сграда започнат да се повреждат, излишността включва резервни пътища за натоварване. Стоманените сгради получават тази защита от няколко източника. Често се използват два различни странични системи едновременно, например комбинират се укрепени рамки с моментни рамки. Второстепенните структурни елементи също са изградени по-силни от необходимото, осигурявайки допълнителни граници на безопасност. Освен това съществуват капацитетно базирани подходи, които предотвратяват разпространението на повреди в цялата конструкция. Според проучване, публикувано от FEMA през 2023 г., сградите, проектирани с тези излишни характеристики, показват приблизително две трети по-малко остатъчно отклонение след земетресения с магнитуд 7 или по-висок по скалата на Рихтер, в сравнение със сгради без такива предпазни мерки.

Иновации в устойчивостта: Системи за самостоятелно центриране и технологии за разсейване на енергия

Системи от следващо поколение подобряват функционалността след земетресение чрез напреднали инженерни решения:

Когато са интегрирани с мониторинг в реално време на състоянието на конструкцията, тези технологии подобряват възстановяването. Насоките на NEHRP от 2022 г. вече препоръчват хибридни системи, включващи устройства за разсейване на енергия в конвенционални сеизмични рамки за критична инфраструктура.

Проектиране на критични връзки и непрекъснатост на пътя на натоварване за оптимална сеизмична устойчивост

Сеизмичната устойчивост на стоманени сгради зависи от прецизно проектирани връзки, които осигуряват надежден пренос на натоварване при позволяване на контролирана деформация. Според Доклада за структурни връзки от 2024 г., сгради с оптимизирани връзки са пострадали с 40% по-малко при земетресения с магнитуд 7,0 или по-висок в сравнение с тези със стандартни детайли.

Ролята на връзките при запазване на структурната цялостност под натоварване

Връзките функционират като преобразуватели на енергия по време на земетресения, превръщайки странични сили в разпределени напрежения. Според AISC 341 тези възли трябва да запазят 90% от своята якост след завъртане на 4% радиана — което е еквивалентно на странично отместване от 12 инча при греда с дължина 30 фута — осигурявайки работоспособност при екстремни условия.

Заварени срещу болтови връзки: Работа при сеизмични условия

Нови проучвания показват, че хибридни системи — използващи заварени срязващи фланци с болтови връзки на фланците — намаляват повредите на връзките с 63% в стоманени сгради с няколко етажа, предлагайки балансиран подход към якост и гъвкавост.

Осигуряване на непрекъснато предаване на натоварване от покрива до основата

Ефективната сейсмична устойчивост изисква непрекъсната носеща верига от покривни диафрагми до анкерни връзки с основата. Повечето проекти за ретрофит (85%) подобряват надеждността чрез добавяне на вторични упори или усилване на съществуващи възли. Ключът е да се осигури, че всеки конструктивен елемент – от свързващи елементи на диафрагмите до вградени плочи – запазва цялостта си при циклично натоварване.

Сейсмични стандарти и бъдещи тенденции в стоманеното строително проектиране

Съответствие с AISC 341, ASCE 7 и IBC Сейсмични кодекси

Съвременните стоманени сгради днес се проектират според строги правила като AISC 341, ASCE 7 и новия Международен строителен кодекс от 2024 г. Всички тези правила помагат на конструкциите да понасят по-ефективно земетресенията. Наскорошните промени в IBC въвеждат нови начини за проектиране на складски рафтове, които намаляват сейсмичните сили, които складовете трябва да понасят, понякога дори с до 30%. Кодексите вече определят конкретни материали, начина на изпълнение на връзките и гарантират непрекъснати пътища за предаване на натоварвания през цялата конструкция. Тези изисквания не са измислени произволно. Те произлизат от уроците, научени след като много сгради рухнаха по време на мощното земетресение в Нортридж през 1994 г.

Преход към рамки за сейсмично проектиране, базирано на експлоатационни характеристики

Инженерите преминават от задължителното спазване на предписания към проектиране, базирано на експлоатационни показатели, което количествено определя очакваното поведение на конструкцията при различни сценарии на земетресения. С помощта на напреднали инструменти за симулация, проектиращите оптимизират дуктилността и редундантността, като избягват ненужно прекомерно проектиране. Този преход е от съществено значение, тъй като 68% от прекъсванията в бизнеса след земетресения се дължат на непоправими структурни щети (FEMA 2022).

Бъдеща перспектива: Интелигентни материали и реално време наблюдение на стоманени сгради

Нови материали като сплави с памет на формата за възли и стоманени колони, подсилени с въглеродни влакна, променят начина, по който сградите издържат земетресения. Проучване от Engineering Structures миналата година установи, че тези самонасочващи се стоманени рамки намаляват остатъчното движение след земетресения с около три четвърти в сравнение с обичайните строителни методи. Междувременно около четиридесет процента от последните проекти за модернизация започнаха да включват умни сензори за деформация, свързани чрез интернет. Тези устройства непрекъснато проверяват връзките в цялата сградна конструкция. Такава система за ранно предупреждение би могла да спести около 740 милиона долара годишно от разходите за щети, според оценки на НИСТ, публикувани през 2024 г. Числата ни казват нещо важно за посоката, в която се отправя структурното инженерство.

ЧЗВ

Какво са сейсмичните сили?

Сейсмичните сили са странични сили, генерирани по време на земетресение, които карят сградите да се люлеят хоризонтално, създавайки напрежение на срязване.

Защо стоманата се предпочита в райони, подложни на земетресения?

Части от стомана се предпочитат, защото при натоварване се огъват вместо да се счупят, ефективно абсорбират сеизмичната енергия и намалят щетите по сградите.

Какво са системи за устойчивост на странични сили (LFRS)?

Системите за устойчивост на странични сили са конструктивни елементи като греди, колони и подпори, които насочват страничните натоварвания, за да осигурят стабилност на сградите по време на земетресения.

В какво се различават рамките с подкоси от моментоустойчиви рамки?

Рамките с подкоси използват диагонали за оздравяване, докато моментоустойчивите рамки използват твърди връзки за огъващо действие, поддържайки открити планировки на етажи и често изискват повече стомана.

Какво е структурна излишност?

Структурната излишност включва резервни пътища за натоварване и по-силни от необходимото елементи, за да се предотврати масово разрушаване по време на сеизмични събития.

Какви иновации подобряват устойчивостта към земетресения при стоманени сгради?

Иновациите включват тригодни амортисьори, пръти от сплави с памет на форма и сменяеми стоманени "предпазители" за по-добра дисипация на енергия и устойчивост.